The objective of this research is to explore the feasibility of a chipless RFID tag that stores a data signature in the form of complex frequency plane singularities. To this end an existing chipless RFID tag, the notched elliptical dipole tag, was analyzed first with simulations and then measurements. A pole signature was extracted from simulations, and individual poles were determined via experimentation to be attributable to specific controllable features of the tag. The poles were shown to be independent of both excitation and observation. A prototype tag was measured, and the pole signature was retrieved from the scattered fields. The tag was successfully read for different orientations showing that embedded singularities can be used as a means for encoding and retrieving data. / Master of Science

Le travail de recherche proposé dans ce manuscrit consiste à modéliser le rayonnement électromagnétique de conducteurs filaires. En effet l’estimation du rayonnement est un enjeu majeur et l’utilisation de modèles exacts nous semble nécessaire. On propose donc dans ce mémoire une approche analytique qui permet de quantifier les niveaux de champs électromagnétiques rayonnés par les systèmes filaires. Dans un premier temps nous proposons un modèle analytique du calcul du champ électromagnétique rayonné par un système filaire basé sur un développement approfondi des équations de Maxwell. Ce formalisme est issu de la formulation intégrale du potentiel vecteur émis par une antenne filaire dont on supposera connu la distribution de courant. Le modèle analytique ainsi obtenu permet d’estimer aisément les champs sans avoir besoin de discrétiser ni le support de transmission ni l’espace d’observation. Pour enrichir notre modèle nous avons ensuite envisagé les cas où la distribution du courant le long des conducteurs était issu, soit de la théorie des lignes soit d’une simulation numérique basée sur la théorie des antennes, soit de mesures. Dans le cas où c’est la théorie des lignes qui est à la base de la détermination des courants distribués, nous proposons un formalisme analytique du champ électromagnétique rayonné basé uniquement sur la seule connaissance des courants et de leurs dérivées aux extrémités des conducteurs. Nous avons également montré que ce formalisme s’extrapole aisément au cas d’un réseau multifilaire. Dans le cas où la théorie des antennes ou des mesures sont à la base de la connaissance des courants distribués, on identifie ce courant par quelques pôles et résidus grâce à la méthode d’identification Matrix Pencil (MP). Le champ électromagnétique rayonné s’exprime alors par une série finie de termes intégrales. Ce formalisme reste analytique et présente l’avantage d’être adapté aux approches paramétriques et d’optimisations. Nos travaux de recherche ouvrent des perspectives de reconstruction de la distribution du courant par Matrix Pencil à partir de la connaissance du courant et de ses premières dérivées spatiales aux seules extrémités des conducteurs. Le champ électromagnétique rayonné sera alors déduit de notre modèle. / The research presented in this thesis is focused on the modelling of electromagnetic radiation from thin-wire configuration. The radiation assessment is one of the most important issues which strongly requires an accurate modelling. In this work, an analytic approach to evaluate electromagnetic field radiated from thin-wire structure sis proposed. In the first part, we propose an analytical model for calculation of the electromagnetic fields from wire structure derived from the Maxwell equations. This formalism arises from the integral formulation of the magnetic vector potential due to a known current distribution along a wire antenna. The analytical model enables one to readily calculate the fields without requirement of wire structure discretization or involving the propagation effect over the domain of interest. In order to improve the model, we subsequently analyze cases where the current distribution along the conductors is known, either obtained by using the transmission line theory, by numerical simulations based on the antenna theory, or by measurements. On the basis of the known current and its derivative at the ends of a two-wire configuration, obtained by using the transmission line theory, the proposed approach yields an analytical formalism for determination of the radiated electromagnetic field. This analytical formalism is readily extended to multiple wires structures, as well. Once the current distribution is determined by using the antenna theory, the proposed method extracts the corresponding poles and residues by using the Matrix Pencil Method (MPM). In this case, the radiated electromagnetic field is formulated just by few integral terms. The main advantage of the analytical formulation within the framework of the proposal approach is that the method is very suitable for parametric and optimisation studies. This research should be considered as an opener to the subject related to reconstruction of the current distribution by using the Matrix Pencil method (MPM) only based on the current and its first derivative at the wire structure ends. Consequently the radiated electromagnetic field may be subsequently readily calculated by using theproposed analytical model.

L’objectif de cette thèse est la classification automatique des cibles (ATC) en utilisant les signaux rétrodiffusés par un radar ultra large bande (UWB). La classification des cibles est réalisée en comparant les signatures des cibles et les signatures stockées dans une base de données. Premièrement, une étude sur la théorie de diffusion nous a permis de comprendre le sens physique des paramètres extraits et de les exprimer mathématiquement. Deuxièmement, des méthodes d’extraction de paramètres sont appliquées afin de déterminer les signatures des cibles. Un bon choix des paramètres est important afin de distinguer les différentes cibles. Différentes méthodes d’extraction de paramètres sont comparées notamment : méthode de Prony, Racine-classification des signaux multiples (Root-MUSIC), l’estimation des paramètres des signaux par des techniques d’invariances rotationnels (ESPRIT), et la méthode Matrix Pencil (MPM). Troisièmement, une méthode efficace de classification supervisée est nécessaire afin de classer les cibles inconnues par l’utilisation de leurs signatures extraites. Différentes méthodes de classification sont comparées notamment : Classification par la distance de Mahalanobis (MDC), Naïve Bayes (NB), k-plus proches voisins (k-NN), Machines à Vecteurs de Support (SVM). Une bonne technique de classification doit avoir une bonne précision en présence de signaux bruités et quelques soit l’angle d’émission. Les différents algorithmes ont été validés en utilisant les simulations des données rétrodiffusées par des objets canoniques et des cibles de géométries complexes modélisées par des fils minces et parfaitement conducteurs. Une méthode de classification automatique de cibles basée sur l’utilisation de la méthode Matrix Pencil dans le domaine fréquentiel (MPMFD) pour l’extraction des paramètres et la classification par la distance de Mahalanobis est proposée. Les résultats de simulation montrent que les paramètres extraits par MPMFD présentent une solution plausible pour la classification automatique des cibles. En outre, nous avons prouvé que la méthode proposée a une bonne tolérance aux bruits lors de la classification des cibles. Enfin, les différents algorithmes sont validés sur des données expérimentales et cibles réelles. / The objective of this thesis is the Automatic Target Classification (ATC) based on radar backscattered Ultra WideBand (UWB) signals. The classification of the targets is realized by making comparison between the deduced target properties and the different target features which are already recorded in a database. First, the study of scattering theory allows us to understand the physical meaning of the extracted features and describe them mathematically. Second, feature extraction methods are applied in order to extract signatures of the targets. A good choice of features is important to distinguish different targets. Different methods of feature extraction are compared including wavelet transform and high resolution techniques such as: Prony’s method, Root-Multiple SIgnal Classification (Root-MUSIC), Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques (ESPRIT) and Matrix Pencil Method (MPM). Third, an efficient method of supervised classification is necessary to classify unknown targets by using the extracted features. Different methods of classification are compared: Mahalanobis Distance Classifier (MDC), Naïve Bayes (NB), k-Nearest Neighbors (k-NN) and Support Vector Machine (SVM). A useful classifier design technique should have a high rate of accuracy in the presence of noisy data coming from different aspect angles. The different algorithms are demonstrated using simulated backscattered data from canonical objects and complex target geometries modeled by perfectly conducting thin wires. A method of ATC based on the use of Matrix Pencil Method in Frequency Domain (MPMFD) for feature extraction and MDC for classification is proposed. Simulation results illustrate that features extracted with MPMFD present a plausible solution to automatic target classification. In addition, we prove that the proposed method has better ability to tolerate noise effects in radar target classification. Finally, the different algorithms are validated on experimental data and real targets.

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Le travail de recherche proposé est relatif au suivi de la consommation par usage afin que les clients puissent mieux maîtriser leurs consommations électriques. Ce projet de recherche consiste à identifier les charges électriques en milieu domestique à partir des mesures non intrusives faites au niveau du compteur électrique. Les informations relevées et traitées sont les courants et les tensions. Nous avons proposé une méthode innovante et performante d'identification, c'est la méthode de Matrix Pencil. Elle s'adapte à la fois aux parties transitoires que permanentes des signatures traitées. Nous proposons deux voies d'investigations complémentaires en basses fréquences et en hautes fréquences auxquelles on appliquera la méthode de Matrix Pencil pour caractériser chaque charge par un ensemble de pôles et de résidus tant en régime transitoire qu'en régime permanent. Cette technique d'identification a été implantée dans le prototype de compteur électrique réalisant les fonctions de reconnaissance et d'identification des signatures. La conception et la réalisation du prototype ont été suivies par la validation de la fonction d'identification et de reconnaissance des usages dans une maison témoin. La capacité d'identification et le niveau du taux d'erreur sont très satisfaisants. Une éventuelle amélioration technologique permettra dans le futur de réaliser une meilleure identification.

The thesis studies truncated moment problems and related reconstruction techniques. It transfers the main aspects of Prony's method from finitely-supported measures to the classes of signed or non-negative measures supported on algebraic varieties of any dimension. The Zariski closure of the support of these measures is shown to be determined by finitely many moments and can be computed from the kernel of moment matrices. Moreover, several reconstruction algorithms are developed which are based on the computation of generalized eigenvalues and allow to recover the components of mixtures of such measures.

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Ce manuscrit est consacré à l’étude de la méthode du développement en singularités (SEM) appliquée aux antennes. Dans la première partie de ce travail, trois méthodes d’extraction des pôles de résonance sont présentées et comparées : les méthodes de Prony et Matrix Pencil dans le domaine temporel et la méthode de Cauchy dans le domaine fréquentiel. Une procédure est établie pour optimiser l’extraction avec chaque méthode et une étude de robustesse montre que la méthode Matrix Pencil permet d’obtenir plus de pôles et avec une meilleure précision que les deux autres méthodes en présence de bruit. Dans un second temps, la méthode Matrix Pencil est appliquée sur des réponses d’antennes, obtenues en rayonnement et en Surface Equivalente Radar (SER), et les pôles de résonance extraits sont identiques pour les deux approches. Cette étude valide donc la possibilité d’extraire les pôles de résonance d’une antenne directement à partir de sa SER. La variation de la position des pôles de résonance en fonction des dimensions et de la charge de deux antennes est ensuite étudiée et met en évidence le lien entre l’impédance d’entrée de l’antenne et ses pôles de résonance. Enfin, les mesures de la SER de trois antennes valident expérimentalement l’extraction des pôles de résonance à partir de la SER d’une antenne. Ce travail pose donc les bases de la caractérisation d’antennes à l’aide de la SEM appliquée à la SER de l’antenne. / This manuscript deals with the Singularity Expansion Method (SEM) applied to antenna characterization. In the first part of this work, three resonant poles extraction methods are presented and compared: the Prony and Matrix Pencil methods in the transient domain and the Cauchy method in the frequency domain. A procedure is defined to optimize the extraction with each method and a robustness study shows that Matrix Pencil method allows obtaining more physical poles with a better accuracy than the two other methods in presence of noise. In a second part, the Matrix Pencil algorithm is applied on radiated and backscattered antenna responses. Extracted resonant poles from both responses are exactly the same. This study validates the possibility to extract poles directly from its backscattered response. The position of resonant poles is analyzed with respect to antenna’s dimension and its load for two different cases. This emphasizes the link between antenna poles and antenna input impedance. Finally, RCS measurements of three antennas validate antenna poles extraction directly from its RCS. This work lays the foundations of antenna characterization using the SEM applied to RCS measurements.

La caractérisation non destructive de l’adhérence des structures du type couche sur substrat est un enjeu industriel et académique important. Ce type d’échantillon est en effet utilisé pour de nombreuses applications et sa durée de vie dépend en grande partie de la qualité d’adhérence des films au substrat. Celle-ci modifie sensiblement le comportement dispersif des ondes acoustiques de surface se propageant dans de ce type de structure. Pour générer et détecter ces ondes, un dispositif Ultrasons-Laser a été privilégié. Dans un premier temps, nous avons cherché à contourner les difficultés d’interprétation rencontrées habituellement dans le contrôle de l’adhérence par ondes acoustiques de surface. Les variations d’épaisseur de la couche peuvent en effet avoir une influence sur la dispersion des ondes comparable à celle due à l’adhérence. Pour ce faire, des films polymères dont l’épaisseur est quasi-constante sont employés et apposés sur un substrat en aluminium. Ces films possèdent en plus la propriété d’être transparents. Cela permet de focaliser l’impulsion laser générant les ondes acoustiques à travers le film, directement à la surface du substrat et de placer ainsi la source acoustique à l’interface film-substrat. L’influence de la position de la source sur le comportement dispersif des ondes acoustiques de surface et par conséquent sur le contrôle de la qualité d’adhérence est alors étudiée expérimentalement ainsi qu’au travers de simulations par éléments finis. Finalement, une caractérisation de l’adhérence de différents échantillons est effectuée grâce aux courbes de dispersion obtenues à l’aide de la méthode Matrix-Pencil appliquée aux résultats expérimentaux. En utilisant un algorithme d’inversion, les raideurs d’interface caractéristiques de l’adhérence des échantillons analysés sont estimées. / The non-destructive characterization of the adhesion of layer-on-substrate structures is an important issue in industrial and academic domains. This type of sample is indeed used for many applications and its lifetime depends mainly on the adhesion of the film to the substrate. This one changes significantly the dispersive behavior of the surface acoustic waves. To generate and detect these waves, a Laser-Ultrasonics setup has been used. First, we are looking to bypass the interpretation difficulties usually encountered in the control of adhesion by surface acoustic waves. Indeed, the layer thickness variations influence the dispersion of the waves in a similar way to the adhesion. Consequently, the polymer films used have a quasi-constant thickness and they are deposited directly on an aluminum substrate. In addition, these films are also transparent. It allows us to generate directly the acoustic waves on the substrate surface, at the interface between the film and the substrate, by focusing the laser pulse through the film. In this way, the influence of the source location on the dispersive behavior of the surface acoustic waves and thus on the adhesion quality control may be studied experimentally and by using finite element simulations. Finally, a characterization of the adhesion of several samples is performed using the dispersion curves obtained applying the Matrix-Pencil method to the experimental results. An inversion algorithm allows us to estimate the interfacial stiffnesses corresponding to the adhesion of the samples.

Le travail de recherche proposé dans ce manuscrit consiste à modéliser le rayonnement électromagnétique de conducteurs filaires. En effet l'estimation du rayonnement est un enjeu majeur et l'utilisation de modèles exacts nous semble nécessaire. On propose donc dans ce mémoire une approche analytique qui permet de quantifier les niveaux de champs électromagnétiques rayonnés par les systèmes filaires. Dans un premier temps nous proposons un modèle analytique du calcul du champ électromagnétique rayonné par un système filaire basé sur un développement approfondi des équations de Maxwell. Ce formalisme est issu de la formulation intégrale du potentiel vecteur émis par une antenne filaire dont on supposera connu la distribution de courant. Le modèle analytique ainsi obtenu permet d'estimer aisément les champs sans avoir besoin de discrétiser ni le support de transmission ni l'espace d'observation. Pour enrichir notre modèle nous avons ensuite envisagé les cas où la distribution du courant le long des conducteurs était issu, soit de la théorie des lignes soit d'une simulation numérique basée sur la théorie des antennes, soit de mesures. Dans le cas où c'est la théorie des lignes qui est à la base de la détermination des courants distribués, nous proposons un formalisme analytique du champ électromagnétique rayonné basé uniquement sur la seule connaissance des courants et de leurs dérivées aux extrémités des conducteurs. Nous avons également montré que ce formalisme s'extrapole aisément au cas d'un réseau multifilaire. Dans le cas où la théorie des antennes ou des mesures sont à la base de la connaissance des courants distribués, on identifie ce courant par quelques pôles et résidus grâce à la méthode d'identification Matrix Pencil (MP). Le champ électromagnétique rayonné s'exprime alors par une série finie de termes intégrales. Ce formalisme reste analytique et présente l'avantage d'être adapté aux approches paramétriques et d'optimisations. Nos travaux de recherche ouvrent des perspectives de reconstruction de la distribution du courant par Matrix Pencil à partir de la connaissance du courant et de ses premières dérivées spatiales aux seules extrémités des conducteurs. Le champ électromagnétique rayonné sera alors déduit de notre modèle.